Développement d’un banc d’essai de retrait empêché :

1. CFM, Marseille, 24-28 Août 2009 Développement d’un banc d’essai de retrait empêché : relation entre formulation et fissurabilité des bétons au jeune âge A. MESSAN, P. IENNY, C. BUISSON, P. COUTURIER, P. SLANGEN, J.S. WIENIN Ecole des Mines d’Alès, Centre des Matériaux de Grande Diffusion EMA/CMGD

2. Introduction Contexte • Un problème matériau : Sensibilité à la fissuration prématurée (BHP/BUHP) • Esthétisme • Durabilité (Sulfates, chlorures, eau, oxyde de carbone…) • Economique (opérations de réparation) Baron, 1990 2

3. 4 4 2 2 0 0 0 0 3 3 6 6 9 9 12 12 Retrait plastique Capacité de déformation 4 4 2 2 0 0 3 0 0 3 6 6 9 9 12 12 Introduction Contexte • Un problème matériau : Sensibilité à la fissuration prématurée (BHP/BUHP) • Esthétisme • Durabilité (Sulfates, chlorures, eau, oxyde de carbone…) • Economique (opérations de réparation) • Un problème mécanique: Fissuration au cours du retrait (contrainte interne de traction) • Les données en termes de… • Retrait « libre », Comportement/Résistance à la fissuration (évolutifs) …sont insuffisantes (viscoélasticité relaxe les contraintes internes) fissuration Prise déformation (%) temps (h) Ziad Bayasi, 2002 3

4. Introduction Contexte • Un problème matériau : Sensibilité à la fissuration prématurée (BHP/BUHP) • Esthétisme • Durabilité (Sulfates, chlorures, eau, oxyde de carbone…) • Economique (opérations de réparation) • Un problème mécanique: Fissuration au cours du retrait (contrainte interne de traction) • Les données en termes de… • Retrait « libre », Comportement/Résistance à la fissuration évolutifs …sont insuffisantes (viscoélasticité relaxe les contraintes internes)  Nécessité d’étudier le retrait/comportement au très jeune âgedu béton pour des conditions dites de retrait « libre » et « empêché » •  Développement d’un essai de fissuration : • Maîtrise des Conditions aux limites d’empêchement • Mesure directe de l’évolution de la contrainte interne de traction • Mesures indirectes du fluage et de la réponse élastique 4

5. Plan : • Développement d’un essai de fissuration : • Choix géométrique et dimensionnement • Principe du double asservissement (maîtrise des C.L.) • Calibration et sensibilité • Matériau BHP • Formulation et caractéristiques • Essai de retrait empêché • Reproductibilité • Résultats et analyse d’un essai sur 24h • Conclusion perspective 5

6. Développement d’un essai de fissuration Moyens d’essais existants : • Géométrie d’essai: • Éprouvette prismatique Av. : Sollicitation de traction simple Inc. : Concentration de contraintes dans les zones de préhension Igarashi S., 2000 6

7. Développement d’un essai de fissuration Moyens d’essais existants : • Géométrie d’essai: • Éprouvette prismatique • Eprouvette annulaire Av. : conditions d’empêchement aisée, sollicitation uniforme Inc. : gradient de contrainte orthoradiale Lamour V., 2003 7

8. Développement d’un essai de fissuration Moyens d’essais existants : • Géométrie d’essai: • Éprouvette prismatique • Eprouvette annulaire • Conditions d’empêchement • Système dit « passif » (basé sur la rigidité du bâti) Inc. : mesure de la sint au prix d’un compromis sensibilité/C.L. • Système dit « actif » (maintien de la condition géométrique) Inc. : dispositif complexe avec boucles d’asservissement Av.: adapté à la mesure de sint 8

9. Développement d’un essai de fissuration Moyens d’essais existants : • Géométrie d’essai: • Éprouvette prismatique • Eprouvette annulaire • Conditions d’empêchement • Systèmes dit « passif » (basé sur la rigidité du bâti) Inc. : mesure de la sint au prix d’un compromis sensibilité/C.L. • Systèmes dit « actif » (maintien de la condition géométrique) Inc. : dispositif complexe avec boucles d’asservissement Av.: adapté à la mesure de sint • Dispositif adopté • Géométrie annulaire  limiter le gradient • Système actif  régulation adaptée à la sensibilité souhaitée sur sint 9

10. Développement d’un essai de fissuration Schéma de principe de l’essai : • Paramètres contrôlés • Pression interne : servovalve (10 bars max.)  vérin souple polyuréthane • Géométrie de l’anneau : électronique (ponts de j.)  jauges de déformation Plateau supérieur Arrivée d’air (10 bars) Jauges de déformation err vérin souple P échantillon Plateau inférieur 10

11. Développement d’un essai de fissuration p æ ö æ ö 2 2 2 2 R R R R ç ÷ ç ÷ s = - s = + i e i e p 1 ; p 1 ç ÷ ç ÷ qq rr - - 2 2 2 2 2 2 R R r R R r è ø è ø e i e i Dimensionnement de l’essai : • Contraintes radiale et orthoradiale (Pb. MMC 1 composant) Re ez eq Ri er ez er 11

12. Développement d’un essai de fissuration p æ ö æ ö 2 2 2 2 R R R R ç ÷ ç ÷ s = - s = + i e i e p 1 ; p 1 ç ÷ ç ÷ qq rr - - 2 2 2 2 2 2 R R r R R r è ø è ø e i e i A1=0  traction homogène Indicateurs A2=0  traction uniaxiale Dimensionnement de l’essai : • Contraintes radiale et orthoradiale (Pb. MMC 1 composant)  État de contraintes ni homogène, ni uniaxial Re ez eq Ri er ez er 12

13. Développement d’un essai de fissuration Re ez eq Ri er ez p er Dimensionnement de l’essai : • Essais normalisés sur béton  section 70x70 mm2 • Indicateurs d’homogénéité (A1) et d’uniaxialité (A2) des contraintes  Ri = 250 mm, Re = 290 mm  Ri = 500 mm, Re = 570 mm 13

14. Développement d’un essai de fissuration Dimensionnement de l’essai : • Homogénéiser la pression sur la paroi interne • Mesurer l’écart au Rayon intérieur initial • Assurer un coffrage du béton frais Feuille de transfert métallique 14

15. Développement d’un essai de fissuration Dimensionnement de l’essai : • Homogénéiser la pression sur la paroi interne • Mesurer l’écart au Rayon intérieur initial • Assurer un coffrage du béton frais • Calcul de l’épaisseur de la tôle de transfert (Pb. MMC 2 composants): e = R - Ri Feuille de transfert métallique Re ez R eq Ri er 1 ez 2 p 1 2 er Si rupture de l’anneau de béton  15

16. Développement d’un essai de fissuration • Cycle de compensation : • Régulation en pression • Régulation en déformation fluage Essai de retrait libre Retrait empêché : principe et régulation Pression Temps d’essai 0 5mm/m Endommagement? Déformation 16

17. Développement d’un essai de fissuration Retrait empêché : calcul de sint coefficient de fluage module sécant (Bazant Z.P., 1972) module sécant réduit (Gilbert R.I., 1988) Coefficient de vieillissement 0,6-0,9 pour le béton durci; 0,9-1 pour le béton jeune Coefficient de fissuration: 17

18. Développement d’un essai de fissuration Retrait empêché : principe et régulation • Servovalve pilotée numériquement assure Régulation en pression/déformation Logiciel de pilotage (Labview NI) e = 0 PID S V V P=Cte PID Air comprimé (10 bars) CP jauges de déformation Anneau de béton 18

19. Développement d’un essai de fissuration Réponse élastique de la tôle Calibration et sensibilité : en l’absence d’anneau de béton • Déséquilibre en déformation (simulation d’un retrait) • Alternance entre phases de compensation/repos Régulation en pression Régulation en déformation 19

20. Développement d’un essai de fissuration Calibration et sensibilité : • Simulation d’un déséquilibre en déformation (…retrait) • Réponse élastique de la tôle d’acier (calcul MMC, 1 composant) 20

21. Matériau BHP Formulation et caractéristiques • Mise en œuvre : E/C = 0.37 • Sable (JOFFRE) granulométrie 0/4 mm • Gravillons de granulométrie 4/8 mm • Ciment CEM I 52,5 N CE CP2 NF (surface spécifique de 438 m2/kg) • Coefficient d’étalement : 80 cm • Masse volumique : 2456 kg/m3 • Résistance à la compression à 24h : 49.8 MPa 21

22. Essai de retrait empêché Reproductibilité • Sur la base de la formulation précédente • %HR = 50%, température = 22°C • Choix du seuil en déformation : 3µdef < eseuil < 6µdef • 0.02 MPa < Sensibilité en contrainte < 0.05 MPa à la prise du béton  0.13 MPa 22

23. Essai de retrait empêché Résultats et analyse d’un essai sur 24h • %HR = 50%, température = 22°C, seuil en déformation : 3µdef Période dormante (béton à l’état frais) • Hydratation / cohésion (prise du béton) 23

24. Essai de retrait empêché Essai de retrait libre (éprouvette prismatique) • Sur la base de la formulation précédente • Éprouvette prismatique (320 x 70 x 70 mm3) • Mesure du retrait (LVDT) • Période dormante similaire • Accommodation importante • de la contrainte interne par fluage 24

25. Conclusions • Étudier la fissuration prématurée des bétons (avant prise) • Développement d’un essai de retrait empêché du type « actif » • Sensibilité adaptée à la mesure de contrainte interne faible (état frais) • régulation adaptée au respect de la condition d’empêchement • Validation sur une formulation type BHP • Période dormante non négligeable • Importante déformation de fluage sous chargement graduel 25

26. Conclusions • Étudier la fissuration prématurée des bétons (avant prise) • Développement d’un essai de retrait empêché du type « actif » • Sensibilité adaptée à la mesure de contrainte interne faible (état frais) • régulation adaptée au respect de la condition d’empêchement • Validation sur une formulation type BHP • Période dormante non négligeable • Importante déformation de fluage sous chargement graduel • perspectives • Mise en place d’une base expérimentale (essais de retrait libre/empêché)  comportement évolutif au très jeune âge (rhéologie et mécanismes de fissuration)  évolution contrainte à rupture (effet de l’hydratation, du retrait et de sint)  Influences des ajouts (↑ la contrainte à rupture, ↓ le retrait, ↑ le fluage?...) • Modélisation analytique • comportement viscoélastique endommageable au très jeune âge • Aide au dimensionnement des ouvrages GC 26